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電路補償法的基本原理范文1
Abstract: This paper introduces the principle of reactive power compensation, the measures to improve the power factor of electrical device itself; measures to improve the power factor of artificial compensation and problems of high concentration, low pressure group compensation, dispersion compensation on the spot and so on.
關鍵詞：功率因數；無功補償；電容器
Key words: power factor；reactive power compensation；capacitor
中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）03-0262-01
1基本概念
1.1 功率因數：在交流電路中，有功功率與視在功率的比值稱為功率因數，用cos?漬表示。
①視在功率：S=■VI×10-3（kV?A）
②有功功率：P=■VIcos?漬×10-3（kW）
③無功功率：Q=■VIsin?漬×10-3（kvar）
電路的性質不同，cos?漬的數值在0～1之間變化，其大小取決于電路中電感、電容及有功負荷的大小。當cos?漬=1時，表示電源發出的視在功率全為有功功率，即S=P；當cos?漬=0時，則P=0，表示電源發出的功率全為無功功率，即S=Q。所以負荷的功率因數越接近1越好。
1.2 無功功率補償就是改善和提高企業用電的功率因數，也是企業節電的重要方法，原理是：
把具有容性功率負荷的裝置與感性負荷并聯接到同一電路中，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；感性負荷釋放能量時，容性負荷吸收能量。就這樣兩種負荷之間的能量互相轉換，感性負荷吸收的無功功率可從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償的基本原理。
2提高功率因數的方法
2.1 提高用電設備本身的功率因數的措施。①采用鼠籠式異步電動機。因為它結構緊密、氣隙小、漏磁少，因而本身的功率因數就比繞線式異步機高。②盡量避免電動機與變壓器的輕載運行。此時有功功率小而激磁所用的無功功率不變，故cos?漬較低，所以，應力求電動機在接近額定負荷的條件下運行，變壓器的負荷率也不應低于50％。③繞線式異步電動機同步化運行。這一措施同樣可將功率因數提到1，但由于成本高和維護困難使其推廣使用受到一定的限制。④盡量采用高壓（6-10kV）電動機，這樣可以省掉降壓變壓器，從而消除了該變壓器產生的無功損耗。一般變壓器的無功損耗約為有功損耗的5倍以上。礦井用高壓電動機的設備有主排水泵、提升機、空壓縮機和風機等。
2.2 人工補償提高功率因數的方法。
①并聯移相電容器組。并聯電容補償法具有投資少、有功功率損耗小（每kvar損牦約3-4W）、維護方便、無振動與噪聲、便于安裝等優點，在礦山地面變電所和用戶廣泛采用。目前多在6-10kV母線上并聯電容器組進行集中補償。電容補償的缺點是只能有級調節而不能進行連續平滑的自動調節，當通風不好，運行溫度過高或線路電壓過高時，電容器容易損壞。②采用同步調相機。同步調相機實際上就是一個大容量的空載運行的同步電動機，其功率大都在5000kW及以上，在過激磁時，它相當于一個無功發電機。優點是可以無級調節無功功率，但也有造價高、有功損耗大、維護困難等缺點。煤礦現很少應用。③采用可控硅靜止無功補償器。這是一種性能較優越的動態無功補償裝置，由移相電容器、飽和電抗器、可控硅勵磁調節器及濾波器等組成。其特點是將可控的飽和電抗器與移相電容器并聯作用，電容器可補償設備產生的沖擊無功功率的全部或大部。優點是動態補償反應快、損耗小、適合對功率因數變化劇烈的大型負荷進行單獨補償，如用于礦山提升機的大功率可控硅整流裝置供電的直流電動機拖動機組等。缺點是投資大、設備體積大，占地面積較大。④采用進相機改善功率因數。進相機也稱轉子自激相位補償機，是一種新型的感性無功功率補償設備，只適用于對繞線式異步電動機單獨補償，電動機容量一般為95-1000kW。進相機的外形與電動機相似，沒有定子及繞組，僅有和直流電動機相似的電樞轉子，由單獨的、容量為1.1-4.5kW左右的輔助異步電動機拖動。這種方法的優點是投資少，補償效果好，而且徹底，還可降低主電動機的負荷電流，節電效果也很顯著，一般運行三個月后就可以收回投資。缺點是本身是一旋轉機構，還要由一輔助電動機拖動，增加了維護和檢修的負擔，另外，它只適宜負荷變動不大的大容量繞線式電動機，應用受到一定的局限。
3無功補償
3.1 高壓集中補償。這種方式是在地面變電所6-10kV母線上集中裝設移相電容器組，一般有專門的電容器室，并要求通風良好，配有可靠的放電設備。它只能補償6-10kV母線前(電源方向)所有向該母線供電的線路上的無功功率，而該母線后(負荷方向)的礦內電網并沒有得到無功補償，因而經濟效果較差。
高壓集中補償的初期投資較低，由于礦井6-10kV母線上無功功率變化比較平穩，因而便于運行管理和調節，而且利用率高，還可提高供電變壓器的負載能力。雖然對本礦的技術經濟效益較差，但從全局上看改善了礦區電網，所以仍是大、中型工礦企業的主要無功補償方式。
3.2 低壓成組補償。把低壓電容器組或無功功率自動補償裝置裝設在車間或井下動力變壓器的低壓母線上。它能補償低壓母線前的礦內高壓電網，礦區電網和整個電力系統的無功功率，補償區大于高壓集中補償，本礦亦獲得相當技術經濟效益。低壓成組補償投資不大，通常安裝在低壓配電室內，運行維護和管理方便，逐漸成為無功補償中的重要成分。如將無功補償裝置引入井下，將改善我國礦山井下電網功率因數嚴重偏低（0.5-0.6左右）的狀況，對提高整個礦井的無功補償有重大的意義。
電路補償法的基本原理范文2
關鍵詞：FPGA; IV曲線; 電容負載; 實時檢測
中圖分類號：TN9834 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)10017803
基金項目：裝備預先研究教育部支撐技術項目（62501040202）；
中央高校基礎科研基金（2010MS054） 目前，世界各國對新型能源的應用日益增多，太陽能作為新型能源的一種，有著安全可靠、無噪聲、無污染、無需消耗燃料、可方便地與建筑物相結合等優點。光伏電池及組件作為光伏轉化的主要器件，從2001年起，平均年增長率高達30%以上［13］。所以，對光伏電池及組件的測試要求也在逐步提高。目前的絕大多數組件都是固定在室外工作的，為了評價這些組件的參數性能和了解組件當前的工作狀況，市場和用戶都需要一種方便攜帶、測量快速、結果精準的測試儀器。 目前市場上此類儀器較少，功能也相對單一，一般只能完成參數測量的工作，并不能對光伏電池當前的工作情況作出準確的判斷［45］。本文設計了一種基于FPGA的光伏電池測試儀，可以工作在兩種工作模式下，不僅可以測得電池或組件的相關參數，而且可以實時檢測電池或組件的當前工作狀況。
1 整體結構與工作模式
系統由兩個采樣模塊分別采集參數數據和實時工作數據，FPGA控制多路器選通信號后經ADC轉化為數字信號，通過FPGA進行數據處理后由LCM顯示。同時，系統還提供了一定的存儲功能，可以將測量數據存儲在FLASH芯片中，通過RS 232接口與上位機通信，為數據的后續分析提供了方便。
參數采樣模式完成與傳統的光伏測試儀相同的功能，通過采樣電路采集光伏電池或組件的IV曲線參數、開路電壓和短路電流值，并完成轉化效率η和填充因子FF計算。
由于光伏組件大多在戶外布置，這對組件的檢測和維護造成了一定的困難。同時，光伏網絡中，對負載供電的電源有光伏組件和蓄電池一起供電，為了防止“過充”和“過放”的問題，測試儀在實時檢測模式時，除了完成對光伏組件輸出電流、輸出電壓和輸出功率的檢測外，還能夠對光伏系統中的電流進行監測。
2 電路設計
對光伏組件的采樣過程中，由于參數采樣和實時檢測的采樣負載不同，參數采樣通過對負載連續變化時，光伏組件的輸出電流和輸出電壓進行檢測得到連續變化的IV曲線；實時檢測過程中，采樣負載是光伏系統的負載。為了完成兩種采樣的不同要求，需要分別設計兩個采樣模塊的電路。
2.1 IV曲線采樣電路
測試儀器測量IV曲線的常用方法是通過連續變化負載的大小，傳統使用的電阻負載在測量開路電壓中，并不能直接測得準確的數值。為了避免這些問題，系統采用電容作為采樣負載。原理對比圖如圖1所示。
圖1 IV曲線測試基本原理圖圖1中傳統的電阻負載，電路中的電流和電壓并不能連續變化，電阻的阻值也不可能達到無限大，測得的開路電壓值會存在誤差。在使用電容作為采樣負載時，通過對電容進行充放電過程采樣來得到IV曲線，電流值和電壓值連續變化，整個充電過程可以將電容等效為一個可變電阻，能得到光伏電池更準確的參數。電容充電前可以等效為一個無窮大的電阻負載，在不需要使用補償法的情況下，對開路電壓值的測量更加精確。
2.2 實時檢測電壓采集電路
電池在正常工作狀態下，由霍爾電壓傳感器得到電池組當前的電壓值，通過電壓跟隨器之后轉換成數字信號。如圖2所示，其中LM324起到電壓跟隨器的作用。
圖2 實時檢測電壓采集電路2.3 實時檢測電流采集電路
在光伏系統中，為負載供電的除了光伏電池外還有蓄電池，因此，在光伏系統正常運轉后，蓄電池會有充電和放電兩種模式。光伏系統中測得的電流可能是充電電流也有可能是蓄電池的放電電流，為了準確的測得電流的大小，設計中采用了兩個單向電流檢測放大器MAX4172來完成電流的雙向檢測。
如圖3所示，當VRS+ >VRS時，蓄電池為負載供電，器件A工作；當VRS >VRS+時，光伏電池向蓄電池充電，器件B工作。利用一個通用的運算放大器將兩個放大器的輸出電流轉換成適當的輸出電壓。VREF設置為0電流對應的輸出電壓。器件A工作時，輸出電壓高于VREF，而當器件B工作時，輸出電壓低于VREF。
圖3 實時檢測電流采樣電路3 模塊設計
整個系統由控制模塊、初始化模塊、存儲模塊、顯示模塊以及串口通行模塊組成，如圖4所示。
圖4 系統框架圖圖4中，控制模塊對系統整個進程進行控制；初始化模塊對程控放大芯片進行合理配置并對兩種模式下采樣信道選擇；顯示模塊和串口通信模塊為用戶獲取最后的結果提供兩種途徑。系統中的各數字模塊都是基于FPGA使用Verilog語言設計的［68］。設計的軟件采用的是Alter公司提供的quartusⅡ 開發工具。
3.1 控制模塊
控制模塊由一個16態的獨熱碼編碼的Melay狀態機構成，通過狀態機控制各功能模塊的運行，控制模塊流程圖如圖5所示。
3.2 初始化模塊
